核电TA1100-78型半速发电机轴电流检测系统在线测试与诊断分析

欧小高，庄 重，刘 洋，徐庆庆



核电TA1100-78型半速发电机轴电流检测系统在线测试与诊断分析

欧小高，庄 重，刘 洋，徐庆庆

（中广核工程有限公司，深圳518124）

针对CPR1000 TA1100-78型半速发电机轴电流检测装置，提出了一种在功率平台下在线进行系统有效性测试的方法，该方法简单实用，可全面校验检测回路与监测装置本体的正确性，提高轴电流监测系统在机组起动后的可靠性。同时结合现场实践经验，对该机型轴电流出现后的异常诊断流程进行了分析，为同类型机组类似问题的处理提供参考。

TA1100-78型半速发电机；轴电流监测；在线测试；异常诊断

0 前言

核电TA1100-78型半速发电机为CPR1000在役或在建核电项目的主流机型，单机额定容量1150MW。在调试起动与带功率运行期间该机型曾多次触发轴电流报警，给机组安全运行带来隐患。高密度轴电流的形成可能会给发电机轴承造成电腐蚀[1]，导致轴承温度上升，严重时威胁发电机组的安全运行，被迫停机检修。现场调试过程发现，发电机首次投入运行后，大轴从静态或盘车转速过渡至额定转速，因接地碳刷装配工艺的偏差或碳刷与转轴磨合初期的影响，转轴长期振动过程中可能出现碳刷接触电阻增大导致发电机组配套的轴电流检测系统无法有效检测轴电流的问题，静态下的离线试验无法有效识别检验系统的可靠性。因此，在机组起动后的功率平台下进行轴电流装置检测在线测试可确保装置运行的可靠性。

发电机轴电压与轴电流的形成机理已有较为成熟的理论[2]，不再赘述。本文主要从工程实际应用的角度出发，重点分析核电TA1100-78型的发电机励端轴承绝缘结构及与之配套的轴电流检测系统原理，针对轴电流检测系统在机组起动后可能因测量回路故障，振动动态过程中接地碳刷接触不良，接地电阻过大导致的轴电流监测偏差等问题，提出了一种在功率平台下进行在线有效性测试的分析方法。同时结合现场实际轴电流故障诊断的经验[3，4]，形成一套核电发电机轴电流故障诊断的基本流程[5]，为同类型机组轴电流故障诊断提供参考。

1 TA1100-78型发电机轴电流监测系统

1.1 发电机轴电流检测回路与原理

TA1100-78型发电机组配套的轴电流检测系统原理如图1所示。

发电机励端轴承为转轴绝缘端（标9），其绝缘结构详见1.2节，发电机转轴在汽侧经接地碳刷(标7)与DIP装置（标10）内的检测CT相连后接地，汽轮机侧的其他轴承为非绝缘结构，转轴与轴承之间的绝缘为油膜绝缘，可等效为经过渡电阻接地（标8）。发电机空载或负载运行后，发电机励端转轴存在轴电压，当励端绝缘严重下降或失效时，轴电流形成并在装置上被检测到。

注：1—发电机转子；2—汽轮机；3—励磁机；4、5—发电机两侧轴承；6—汽轮机侧轴承；7—接地碳刷；8—汽轮机侧轴承等效接地电阻；9—发电机励端绝缘；10—轴电流监测装置（DIP）

图1 轴电流检测原理示意图

1.2 发电机励端轴承绝缘结构

发电机励端为不接地端，是隔绝轴电流形成通路的绝缘端。发电机励端轴承绝缘指转轴与上下半轴承套、油密封过渡环、内外部油档，以及跟外部连接的测振支架、高压油管之间的绝缘，一般通过绝缘垫等绝缘材质实现绝缘，保证发电机转轴只有碳刷单点接地，其绝缘值要求0.2MW以上。发电机励端轴承总体绝缘结构如图2所示。

注：1—转子；2—油密封绝缘；3—内油档绝缘；4—外油档绝缘；5、6—轴承外套绝缘；7、8—轴承内套绝缘

图2 发电机励端轴承绝缘结构

为监测发电机轴承绝缘情况，每个绝缘部件通过引线集中引出至专门的测试端子，可定期进行励端绝缘情况检查。

1.3 发电机轴电流现行试验方法分析

发电机正式起动前，一般在静态下进行轴电流检测系统的检查及单体试验，如接地碳刷接触电阻及接地连续性检查，测量回路通流试验及轴电流报警测试等。根据同类型机组的调试经验，现行试验方法可能存在如下不确定因素：1）发电机首次运行后，发电机转轴从静态或盘车转速过渡至额定转速运行，若接地碳刷装配工艺存在偏差及碳刷与转轴磨合初期的影响，在转轴振动过程中可能出现碳刷与转轴接触不良及接触电阻增大的情况；2）因汽轮机的其他轴承为非实体绝缘结构，仅通过油膜绝缘，对地阻值相对较小，当碳刷接地阻值达到一定值时，轴电流将存在分流效应，导致轴电流监测出现偏差；3）发电机辅助润滑油系统的投运，高压油管中可能存在金属性杂质，使除碳刷外的其他轴承与转轴等效接地阻值（图1标8）下降，同样导致轴电流检测不准确甚至失效。以上分析情况在发电机静态下的试验无法有效验证，机组起动后，在线进行轴电流有效性的测试可大大提供轴电流监测装置的可靠性。

2 轴电流监测有效性在线测试方法分析

2.1 发电机轴电流监测有效性在线测试原理

针对上述轴电流监测系统在发电机功率运行后可能存在的监测偏差或失效问题，可以在功率平台下在线测试轴电流检测的有效性。总体思路是利用发电机的励端轴电压，构建测试回路真实模拟轴电流的生成，通过比较测试回路电流与轴电流监测装置（DIP）检测到的电流是否一致，来判断轴电流检测装置是否有效和准确。其试验原理如图3所示。

从发电机轴电流监测原理可知，当发电机空载或负载运行后，发电机转轴在励端处存在轴电压，可等效为电源，通过手动举刷，串入可调节电阻及电流表，与接地碳刷所在的轴电流检测支路组成测试回路，当缓慢降低可调电阻的阻值，即可生成轴电流完成在线测试，其等效电路如图4所示。

2.2 轴电流检测系统在线测试方法分析

发电机转轴可等效成电源，根据等效电路图4可知，存在如下关系：

其中，为轴电压，为轴电势，为轴电流，结合公式（1），（2），对轴电流在线测试分析如下：

1）在碳刷接触良好，监测回路及装置正常，汽轮机侧油膜绝缘良好的情况下，因1远大于测试回路电阻，1支路相当于开路（2=0），从式（2）可得=1，即流过测量电流表A1与DIP监测仪表的电流A2应该相同，因此测试时只需记录并比较测量电流表与监测仪表的电流是否一致即可判断检测系统是否正常。

2）当汽轮机侧油膜绝缘良好时，即1阻值较大不存在分流，若检测回路存在故障或碳刷接触不良时，测试回路电阻过大，轴电流将可能无法生成，此时DIP装置将检测不到电流。

3）当检测回路及装置正常，而汽轮机侧油膜绝缘降低导致1阻值变小时，1支路存在分流（0），从式（2）可知，DIP监测仪表A2电流将小于测量电流表A1（1<），检测的轴电流小于实际轴电流，装置检测将存在偏差。

综上分析，通过实际模拟生成轴电流，只需比较测量回路电流表A1与装置检测仪表A2的电流值是否一致即可判断轴电流检测系统是否正常，同时可根据测试情况分析轴电流出现偏差的故障类型。设计手册要求，轴电流一段报警定值为0.2A，二段跳闸定值为2A，以一段报警值0.2A为上限进行试验可确保试验及设备的安全。

注：1—发电机转子；2—汽轮机；3—励磁机；4、5—发电机两侧轴承；6—汽轮机侧轴承；7—接地碳刷；8—手动举刷装置；9—汽轮机侧轴承等效接地电阻； A1—测量用交流电流表；A2— 轴电流装置检测电流表；R—可调电阻箱

图3 轴电流在线模拟试验示意图

注：R—测试接线电阻；—可调电阻；—轴电压；1—汽轮机侧轴承等效接地电阻；—等效轴电势；R—轴电势内阻；—轴电流；1—轴电流监测电流；2—汽轮机侧轴承分流

图4 轴电流在线测试等效电路

2.3 现场实际案例验证

在某核电厂4号发电机起动后的15%功率平台按上述分析方法进行模拟试验，试验前测量发电机机端轴电压为0.78V。试验过程中发现，当可调电阻从3000Ω降至2Ω时，轴电流监视装置一直显示为零，说明检测回路存在故障，轴电流在监测装置上未形成通路。

对发电机汽侧的接地碳刷与转轴接触的部位进行检查，发现存在碳刷接触不良的情况，取下碳刷检查发现碳刷接触部位存在明显偏差的现象，手动举刷测量转轴对地的阻值已达678Ω（图5）。现场对碳刷重新进行打磨和调整后，再次进行模拟试验，试验结果如表1所示。

图5 检查发电机接地碳刷及接地电阻

表1 轴电流装置在线测试结果

现场通过改变可调电阻值，测量多组数据。表1数据说明测量电流表A1与DIP装置检测到的轴电流A2基本一致，两者测量曲线（图6）基本吻合，说明轴电流监测装置能可靠检测轴电流，且不存在分流效应，从而验证了轴电流监测装置检测有效。

图6 测量电流A1与监测电流A2比较

根据公式（1），选取测试数据中的两组数值（第6、10组），构成如下方程组。

将表1中测量的轴电流值依次代入公式（4），可计算出对应的轴电压，将其与表1实际测量的轴电压进行比较（如图7所示），两者高度吻合。说明随着电阻下调，轴电流不断增大，因发电机转轴内阻压降的存在，轴电压从0.78V下降至0.6V，这一现象与上述理论分析的结果一致，同时也佐证了轴电流系统在线测试电路模型的正确性。

图7 轴电压实际测量值与理论计算值比较

3 轴电流在线故障诊断方法探讨

轴电流出现后的故障诊断现场排查较为困难，机组带功率运行后，现场实际排查的可操作性低，而盲目的停机检查将造成机组检修次数增多，带来发电损失，且停机状态下也无有效的排查手段。本文结合TA1100-78型发电机组轴电流检测装置原理，结合现场诊断实践总结出一套核电轴电流系统在线排查与诊断的基本流程。在确保机组安全运行的条件下在线开展轴电流问题的排查与处理，尽量减少停机次数。现场故障诊断流程如图8所示。

（1）轴电流出现后，首先应确认轴电流监视装置的检测的可靠性，可利用本文介绍的在线验证方法检查测量回路与装置，同时可利用钳形电流表或串入低内阻电流表进行辅助确认。

（2）发电机励端绝缘下降是轴电流形成回路的关键点，应通过绝缘引线对励端绝缘电阻值进行确认。

（3）接地碳刷在发电机运行时因转轴高速旋转，可能导致转轴与碳刷物理接触不良，或者碳刷未进行有效打磨导致电气接触不良，可以通过逐步分段测量对地电阻以确认接地的可靠性，并利用碳刷测量转轴电压及转轴对地电阻，以确认转轴与地之间是否存在接触不良的情况。

图8 轴电流故障诊断与处理流程

（4）发电机运行过程中，转轴与润滑油直接接触，存在电导率不合格，或转轴与高压油管、轴瓦等部件的接触导致绝缘降低，可结合润滑油油样报告进行辅助判断。

（5）如发现发电机轴电压明显偏高，存在导致轴电流的可能性，可利用发电机转子间隙波形进行辅助判断，检查发电机是否存在较大的磁路不对称情况，综合对发电机运行进行评价。

（6）对发电机整体运行情况进行评价，如存在不可接受因素，必须停机检查，即使轴电流不影响发电机的可靠运行，也需制定响应的监视手段及应急预案，避免情况恶化，造成事故。

4 结论

本文提出了一种在线验证TA1100-78型发电机轴电流装置检测有效性的测试方法，可对整个轴电流检测系统进行全面检验并发现问题。因该机型汽轮机侧轴瓦对地阻值的较低，机组起动后接地碳刷接触状态的变化可能引起轴电流监测装置检测发生偏差，而功率平台下进行在线测试可有效规避上述问题。该方法简单易实施，具有推广价值。同时结合核电现场轴电流故障诊断经验，对轴电流出现后的在线故障诊断基本流程进行了总结，在确保机组安全运行的前提下，尽量减少停机次数，在线开展轴电流的诊断与处理。

[1] 刘正超, 李福祺. 发电机气隙距离、磁场强度和轴电压的在线监测[J]. 大电机技术，2003,(2):4-7.

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[3] 姜彤,周春阳,徐永金,张志富. 汽轮发电机中静止励磁轴电压的分析与抑制. 电力系统保护与控制，2012，40(6)：142-146.

[4] 金华峰,付虹润,谢卓健. 一起水轮发电机轴电流超标故障的分析与处理. 水电站机电技术，2011，34(4):57-60.

[5] 张学延. 汽轮发电机组轴电压（流）对轴系振动的影响[J].热力发电，2011, 40(12):64-66.

Online Testing and Diagnosis of Shaft Current Detecting System of Nuclear Power TA1100-78 Type Half Speed Generator

OU Xiaogao, ZHUANG Zhong, LIU Yang, XU Qingqing

(China Nuclear Power Engineering Co.Ltd, Shenzhen 518124, China)

For CPR1000 TA1100-78 half speed generator shaft current monitoringdevice, this paper puts forward an online validity test method on power platform. The method is simple and practical, the correctness of the detection circuit and the main body of the monitoring device can be fully checked,the reliability of the shaft current detection system can be improved after the generator start. At the same time, combined with the field practice, the abnormal diagnosis process for the shaft current is analyzed, which can provide reference for solving similar problems of the same type of unit.

TA1100-78 half speed generator; the shaft current monitoring; online test; abnormal diagnosis

TM311

A

1000-3983(2016)06-0022-04

2016-05-10

欧小高(1983-)，2009年毕业于东北电力大学电力系统及其自动化专业，中广核工程有限公司，发变电系统调试起动，电气工程师。

审稿人：毕纯辉